一种基于四芯光纤的矢量弯曲传感装置的制作方法

本实用新型涉及光纤传感研究领域，具体涉及一种基于四芯光纤同时获得弯曲方向和弯曲曲率半径的矢量弯曲传感装置。

背景技术：

光纤弯曲传感器已经成为广泛应用的光纤传感之一，具有不受电磁场影响、绝缘性好、灵敏度高、体积小等优点。光纤弯曲传感器是实现长期及实时在线结构健康监测的关键器件，对于保障大型设施的安全、防治恶性以及灾难性事故的发生具有极其重要的意义。

目前的主流光纤弯曲传感器是基于光纤布拉格光栅的光纤弯曲传感器，其实现方案是将光纤布拉格光栅固定在某一需要测量弯曲的被测件上，利用被测件弯曲对光纤布拉格光栅产生拉伸或者挤压从而出现可测量的反射波长漂移的原理实现弯曲传感，其缺点是一个传感器仅能获得弯曲曲率信息而无法同时获得弯曲方向信息。其它光纤弯曲传感器包括基于FP腔、光纤耦合效应等原理，目前也只能获得弯曲曲率信息，不能识别弯曲方向。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术不足，提出了一种基于四芯光纤同时获得弯曲方向和弯曲曲率半径的矢量弯曲传感装置。

本实用新型包括光纤环形器、宽带光源、光谱仪、刻写有光纤布拉格光栅的四芯光纤，所述的光纤环形器三个接头分别接宽带光源、光谱仪和四芯光纤；宽带光经过环形器进入四芯光纤的光纤布拉格光栅，某一波长的光被光纤布拉格光栅的反射回来，再经过环形器返回光谱仪，通过记录四个光纤布拉格光栅的反射波长变换来确定四芯光纤弯曲方向及弯曲曲率半径。

本实用新型具有结构简单、成本低、传感精度高等优点。

附图说明

附图1为本实用新型的装置示意图。

附图2为本实用新型中的四芯光纤截面图示意图。

附图3为本实用新型中的四芯光纤布拉格光栅结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所使用的装置包括：宽带光源1，光谱仪2，光纤环形器3，刻写光纤布拉格光栅的四芯光纤4。宽带光源1发出波长为1500nm至1600nm的光，进入光纤环形器3，当宽带光经过光纤环形器3进入四芯光纤4的光纤布拉格光栅，其中部分光被光纤布拉格光栅反射回来，再经过光纤环形器3注入光谱仪2，通过光谱仪2测量计算四个光纤布拉格光栅反射波长及x轴和y轴上相应两个波长变化量dλ_x和dλ_y，根据测量原理计算获得θ、R_b的数值，从而确定四芯光纤弯曲方向及弯曲曲率半径。

本实用新型的测量原理为：本实用新型使用的四芯光纤(横截面如图2)，四个光纤纤芯对称分布在四芯光纤中，每个纤芯与四芯光纤中心点之间距离是L，四个光纤纤芯直径为D。在四芯光纤中每一个纤芯上刻写一个光纤布拉格光栅，光源打进去之后会有某一特定波长的光反射回来，具体公式是λ＝2n_effΛ，其中λ是反射回的光波长，n_eff是四芯光纤中光纤布拉格光栅的有效折射率，Λ是布拉格光栅的间距(如图3)。建立x-y-z三维坐标轴(如图2所示)，垂直于纸面向里为z方向。当四芯光纤处于垂直状态(平行于z坐标轴)的时候，在光谱仪上即可看到光纤光栅反射光谱图，四个光纤纤芯①②③④上的光纤布拉格光栅对应四个中心波长λ₁₀、λ₂₀、λ₃₀、λ₄₀，以四芯光纤的纤芯③①方向为x轴(波长差Δλ_x0＝λ₃₀-λ₁₀)，纤芯④②方向为y轴(波长差Δλ_y0＝λ₄₀-λ₂₀)。当四芯光纤向某一方向(θ角度方向)弯曲(弯曲曲率半径R_b)的时候，四个光纤纤芯①②③④上的光纤布拉格光栅对应四个中心波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄，四芯光纤的纤芯①③的光纤布拉格光栅的波长差为Δλ_x＝λ₃-λ₁，四芯光纤的纤芯②④的光纤布拉格光栅的波长差为Δλ_y＝λ₄-λ₂，定义x轴波长变化量dλ_x＝Δλ_x-Δλ_x0、y轴波长变化量dλ_y＝Δλ_y-Δλ_y0，则：

1、通过x轴和y轴上相应两个波长变化量dλ_x和dλ_y辨识不同的光纤方向，具体方法如下：(1)dλ_x＞0且dλ_y＞0，四芯光纤在xy坐标平面第一象限弯曲(θ角度范围为0-π/2)；(2)dλ_x＜0且dλ_y＞0，四芯光纤在xy坐标平面第二象限弯曲(θ角度范围为π/2-π)；(3)dλ_x＜0且dλ_y＜0，四芯光纤在xy坐标平面第三象限弯曲(θ角度范围为π-3π/2)；(4)dλ_x＞0且dλ_y＜0，四芯光纤在xy坐标平面第四象限弯曲(θ角度范围为3π/2-2π)；(5)dλ_y＝0且dλ_x＞0，四芯光纤在x坐标轴正方向弯曲(θ角度为0)；(6)dλ_x＝0且dλ_y＞0，四芯光纤在y坐标轴正方向弯曲(θ角度为π/2)；(7)dλ_y＝0且dλ_x＜0，四芯光纤在x坐标轴负方向弯曲(θ角度为π)；(8)dλ_x＝0且dλ_y＜0，四芯光纤在y坐标轴反方向弯曲(θ角度为3π/2)。

2、根据光纤光弹效应理论，光纤向某一方向(θ角度方向)弯曲，弯曲曲率半径R_b，则满足以下公式：

其中k为一个与光纤结构、材料相关的可测量常数。

在当四芯光纤向某一方向(θ角度方向)弯曲(弯曲曲率半径R_b)的时候，通过光谱仪测量x轴和y轴上相应两个波长变化量dλ_x和dλ_y，根据上述1中的θ角度范围及上述2中公式可以获得θ、R_b的数值，从而确定四芯光纤弯曲方向及弯曲曲率半径。

以上所述仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。